CN111362645B - 一种利用矿渣制备的水泥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用矿渣制备的水泥，由以下原料制备而成：新型相变储能材料、陶瓷粉、粉煤灰、水泥、减水剂、玻璃纤维、硅藻土；所述新型相变储能材料由改性矿渣粉、石蜡和水制备而成；所述改性矿渣粉为羟甲基纤维素改性的矿渣粉。本发明以硅酸盐水泥为基体，在硅酸盐水泥中添加新型相变储能材料、陶瓷粉和粉煤灰，不仅降低了水泥的成本，而且得到的水泥复合材料可显著提高水泥的阻尼系数和冲击值，还提高了水泥的保温性能，还实现了矿渣等废物再利用实现绿色环保的目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种利用矿渣制备的水泥及其制备方法。
背景技术
当前，用石棉纤维、钢纤维和玻璃纤维增强水泥的复合材料在工程应用中有广泛的应用，但由于石棉纤维有危害健康且对环境造成严重污染，钢纤维易锈蚀，玻璃纤维不耐腐蚀的缺点，使人们认识到寻求新型的增强材料仍然任重而道远。就目前国内外研究情况来看，碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等已经成为混凝土增强材料的主要对象。另外，工业废渣作为水泥代用材料已经取得了一定的进展，工业废渣是在工业生产和工业加工中以及燃料燃烧、矿物开采、交通运输、环境治理过程中废弃材料，大多数工业废渣与水泥原料相似，有一些工业废渣有一定热值，作为熟料与纤维(碳纤维、陶瓷纤维)按一定比例加入可提高水泥特性，其炉渣的处理解决了当前的工业残留废物处理问题，并且从处理成本上分析，其成本为普通硅酸盐水泥原料制备成本的六、七成，降低水泥生产成本。
矿渣是矿石经选矿和冶炼的残余物，即炼钢过程中的工业废料，废渣约占原料的30％，而矿渣的遗弃将会造成严重的污染，大量的矿渣处理和再利用成为利用矿渣等废料来制备建设性、经济型的的材料成为工业生产的重要问题，通过化学成分分析知道矿渣的成分和硅酸盐水泥的成分基本一致，同样存在水硬性。在工业生产上常常将矿渣生产为矿渣微粉、矿渣粉等，矿渣硅酸盐水泥是在普通矿渣硅酸盐水泥成分的基础上混入适量的粒化高炉矿渣，在性能上其对硫酸盐类侵蚀的抵抗能力、耐热性及抗水性更好，水化热较低，广泛运用于地下、水中和高压、高温蒸汽、海水工程；而矿渣微粉可活化处理来提高其比表面积，更大程度的提高水泥性能且成本仅为水泥成本的六七成。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用矿渣制备的水泥及其制备方法，以硅酸盐水泥为基体，在硅酸盐水泥中添加相变储能材料、陶瓷粉和粉煤灰，不仅降低了水泥的成本，而且得到的水泥复合材料可显著提高水泥的阻尼系数和冲击值，还提高了水泥的保温性能，还实现了矿渣等废物再利用实现绿色环保的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种利用矿渣制备的水泥，由以下原料按重量份制备而成：相变储能材料1-5份、陶瓷粉10-20份、粉煤灰15-25份、水泥20-40份、减水剂1-4份、玻璃纤维2-7份、硅藻土2-9份；
所述相变储能材料由改性矿渣粉、石蜡和水制备而成；所述相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：（20-50）g/mL的固液比混合，均质，配置成石蜡水体系；
S2. 将改性矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，静置20-30min后，冷冻干燥，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料；
所述改性矿渣粉为羟甲基纤维素改性的矿渣粉；所述改性矿渣粉由以下方法制备而成：将矿渣收集、用行星球磨机研磨至100目以下，得到矿渣粉，将矿渣粉加入硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液中，加热至60-80℃，充分搅拌均匀后，加入羟甲基纤维素，搅拌反应1-3h后，过滤，去离子水反复洗净，得到改性矿渣粉。
进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥。
作为本发明的进一步改进，由以下原料按重量份制备而成：相变储能材料3份、陶瓷粉15份、粉煤灰20份、水泥30份、减水剂2份、玻璃纤维5份、硅藻土6份。
作为本发明的进一步改进，所述减水剂选自木质素磺酸钠盐减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高高效减水剂、聚羧酸高效减水剂中的一种或几种。
作为本发明的进一步改进，所述硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液中硅烷偶联剂KH550的质量分数为1.5-2.5wt%，所述乙醇的质量分数为20-35wt%；所述行星球磨机的转速为700-1000r/min；所述矿渣粉和羟甲基纤维素的质量比为1：（1-3）。
作为本发明的进一步改进，所述均质条件为10000-12000r/min转速下均质1-3min；所述冷冻干燥条件为-10℃下冷冻10-20min，进一步降温至-20℃冷冻10-12h。
本发明进一步保护一种上述利用矿渣制备的水泥的制备方法，包括以下步骤：将水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min-3min；然后，将相变储能材料、玻璃纤维加入后再搅拌2min-4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min-3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥；
所述相变储能材料由改性矿渣粉、石蜡和水制备而成；
所述改性矿渣粉为羟甲基纤维素改性的矿渣粉。
作为本发明的进一步改进，所述搅拌转速为300-500r/min。
本发明具有如下有益效果：普通矿渣粉可以增强水泥性能，但是，水泥为碱性环境，在水泥那样的减溶液中，矿渣粉容易碱化腐蚀，本申请首先将普通矿渣粉通过用羟甲基纤维素改性，在矿渣粉表面形成一个致密的保护膜层，其次，通过改变添加顺序和搅拌顺序，提高矿渣粉的力学性能和保温性能。在现有技术中，并未发现通过羟甲基纤维素改性矿渣粉的公开报道，同时也未发现有如本申请技术方案相同的制备工艺；
将改性矿渣加入石蜡水混合体系中，均质搅拌，表面带有大量羟基的改性矿渣在体系中迅速将石蜡包裹在内，形成微球分散在水中，经过冷冻干燥后，去除溶剂水，形成粒径极小的微球，即相变储能材料，加入水泥中能显著提高水泥材料的保温性能；
本发明以硅酸盐水泥为基体，在硅酸盐水泥中添加相变储能材料、陶瓷粉和粉煤灰，不仅降低了水泥的成本，而且得到的水泥复合材料可显著提高水泥的阻尼系数和冲击值，还提高了水泥的保温性能，还实现了矿渣等废物再利用实现绿色环保的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例3制备的相变储能材料的形态图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中硅酸盐水泥强度等级为52.5R，购于临沂市建存装饰材料有限公司；
聚羧酸高效减水剂、萘系高效减水剂、木质素磺酸钠盐减水剂均购于山东同力化工有限公司；
陶瓷粉粒度为200目，莫氏硬度为7.0，购于东海县牛山镇鸿泰石英制品厂；
硅藻土中SiO2含量大于90%，pH值为8-9，购于青岛三星硅藻土有限公司。
实施例1
原料组成（重量份）：相变储能材料1份、陶瓷粉10份、粉煤灰15份、硅酸盐水泥20份、聚羧酸高效减水剂1份、玻璃纤维2份、硅藻土2份。
改性矿渣粉由以下方法制备而成：将矿渣收集、用行星球磨机研磨至100目以下，行星球磨机的转速为700r/min，得到矿渣粉，将100g矿渣粉加入硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液（硅烷偶联剂KH550的质量分数为1.5wt%，乙醇的质量分数为20wt%）中，加热至60℃，充分搅拌均匀后，加入100g羟甲基纤维素，搅拌反应1h后，过滤，去离子水反复洗净，得到改性矿渣粉。
相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：20g/mL的固液比混合，均质，均质条件为10000r/min转速下均质1min，配置成石蜡水体系；
S2. 将改性矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，均质条件为10000r/min转速下均质1min，静置20min后，冷冻干燥，冷冻干燥条件为-10℃下冷冻10min，进一步降温至-20℃冷冻10h，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料。
利用矿渣制备的水泥的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min；然后，将相变储能材料、玻璃纤维加入后再搅拌2min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的聚羧酸高效减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥。
实施例2
原料组成（重量份）：相变储能材料5份、陶瓷粉20份、粉煤灰25份、硅酸盐水泥40份、萘系高效减水剂4份、玻璃纤维7份、硅藻土9份。
改性矿渣粉由以下方法制备而成：将矿渣收集、用行星球磨机研磨至100目以下，行星球磨机的转速为1000r/min，得到矿渣粉，将100g矿渣粉加入硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液（硅烷偶联剂KH550的质量分数为2.5wt%，乙醇的质量分数为35wt%）中，加热至80℃，充分搅拌均匀后，加入300g羟甲基纤维素，搅拌反应3h后，过滤，去离子水反复洗净，得到改性矿渣粉。
相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：50g/mL的固液比混合，均质，均质条件为12000r/min转速下均质3min，配置成石蜡水体系；
S2. 将改性矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，均质条件为12000r/min转速下均质3min，静置30min后，冷冻干燥，冷冻干燥条件为-10℃下冷冻20min，进一步降温至-20℃冷冻12h，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料。
利用矿渣制备的水泥的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌3min；然后，将相变储能材料、玻璃纤维加入后再搅拌4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的萘系高效减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥。
实施例3
原料组成（重量份）：相变储能材料3份、陶瓷粉15份、粉煤灰20份、硅酸盐水泥30份、木质素磺酸钠盐减水剂2份、玻璃纤维5份、硅藻土6份。
改性矿渣粉由以下方法制备而成：将矿渣收集、用行星球磨机研磨至100目以下，行星球磨机的转速为850r/min，得到矿渣粉，将100g矿渣粉加入硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液（硅烷偶联剂KH550的质量分数为2wt%，乙醇的质量分数为27wt%）中，加热至70℃，充分搅拌均匀后，加入200g羟甲基纤维素，搅拌反应1-3h后，过滤，去离子水反复洗净，得到改性矿渣粉。
相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：35g/mL的固液比混合，均质，均质条件为11000r/min转速下均质2min，配置成石蜡水体系；
S2. 将改性矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，均质条件为11000r/min转速下均质2min，静置25min后，冷冻干燥，冷冻干燥条件为-10℃下冷冻15min，进一步降温至-20℃冷冻11h，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料。
图1为本实施例制得的相变储能材料的形态图，有图可知，本相变储能材料结构均一，大小在240-270μm左右。
利用矿渣制备的水泥的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min-3min；然后，将普通相变储能微胶囊、玻璃纤维加入后再搅拌2min-4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的木质素磺酸钠盐减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min-3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥。
对比例1
与实施例3相比，采用100目普通矿渣粉代替改性矿渣粉，其他条件均不改变。
原料组成（重量份）：相变储能材料3份、陶瓷粉15份、粉煤灰20份、硅酸盐水泥30份、木质素磺酸钠盐减水剂2份、玻璃纤维5份、硅藻土6份。
相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：35g/mL的固液比混合，均质，均质条件为11000r/min转速下均质2min，配置成石蜡水体系；
S2. 将普通矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，均质条件为11000r/min转速下均质2min，静置25min后，冷冻干燥，冷冻干燥条件为-10℃下冷冻15min，进一步降温至-20℃冷冻11h，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料。
利用矿渣制备的水泥的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min-3min；然后，将普通相变储能微胶囊、玻璃纤维加入后再搅拌2min-4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的木质素磺酸钠盐减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min-3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥。
对比例2
与实施例3相比，采用粉煤灰代替羟甲基纤维素，其他条件均不改变。
原料组成（重量份）：相变储能材料3份、陶瓷粉15份、粉煤灰20份、硅酸盐水泥30份、木质素磺酸钠盐减水剂2份、玻璃纤维5份、硅藻土6份。
改性矿渣粉由以下方法制备而成：将矿渣收集、用行星球磨机研磨至100目以下，行星球磨机的转速为850r/min，得到矿渣粉，将100g矿渣粉加入硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液（硅烷偶联剂KH550的质量分数为2wt%，乙醇的质量分数为27wt%）中，加热至70℃，充分搅拌均匀后，加入200g粉煤灰，搅拌反应1-3h后，过滤，去离子水反复洗净，得到改性矿渣粉。
相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：35g/mL的固液比混合，均质，均质条件为11000r/min转速下均质2min，配置成石蜡水体系；
S2. 将改性矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，均质条件为11000r/min转速下均质2min，静置25min后，冷冻干燥，冷冻干燥条件为-10℃下冷冻15min，进一步降温至-20℃冷冻11h，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料。
利用矿渣制备的水泥的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min-3min；然后，将普通相变储能微胶囊、玻璃纤维加入后再搅拌2min-4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的木质素磺酸钠盐减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min-3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥。
对比例3
与实施例3相比，采用普通相变储能微胶囊（购于福建天利高新材料有限公司）代替相变储能材料，其他条件均不改变。
原料组成（重量份）：普通相变储能微胶囊3份、陶瓷粉15份、粉煤灰20份、硅酸盐水泥30份、木质素磺酸钠盐减水剂2份、玻璃纤维5份、硅藻土6份。
利用矿渣制备的水泥的制备方法包括以下步骤：将硅酸盐水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min-3min；然后，将普通相变储能微胶囊、玻璃纤维加入后再搅拌2min-4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的木质素磺酸钠盐减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min-3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥。
测试例1
取实施例1-3和对比例1-3利用矿渣制备的水泥，以及普通硅酸盐水泥（购于临沂市建存装饰材料有限公司）和水搅拌均匀，其中，水泥和水的质量比为1：1 .8，制作成10mm× 10mm× 60mm的柱状水泥条，干缩七天后，进行实验测试试样的阻尼系数和冲击值。
结果见表1。
表1
| 组别 | 阻尼系数 | 冲击值（J/cm<sup>2</sup>） |
| 实施例1 | 0.40 | 0.85 |
| 实施例2 | 0.39 | 0.82 |
| 实施例3 | 0.42 | 0.89 |
| 对比例1 | 0.27 | 0.62 |
| 对比例2 | 0.37 | 0.80 |
| 对比例3 | 0.17 | 0.52 |
| 市售 | 0.22 | 0.57 |
由上表可知，本发明实施例1-3制得的水泥具有较高的阻尼系数和冲击值，明显优于对比例和市售水泥。
测试例2
实施例1-3和对比例1-3利用矿渣制备的水泥，以及普通硅酸盐水泥（购于临沂市建存装饰材料有限公司）和水搅拌均匀，其中，水泥和水的质量比为1：1 .8，制作成10mm×10mm× 60mm的柱状水泥条，研磨至比表面积约为 320m2/Kg，进行水泥的物理性能测试(参照 GB/T17671-1999 水泥胶砂强度检验方法 (ISO 法 ))，将 3 天、7 天和 28 天的数据记录下来，结果见表 2。
表2
由上表可知，本发明实施例1-3制得的水泥具有将强的力学性能，明显优于对比例1-3和市售水泥。
对比例1与实施例3相比，采用100目普通矿渣粉代替改性矿渣粉，其力学性能显著下降。
对比例2与实施例3相比，采用粉煤灰代替羟甲基纤维素，其力学性能影响不大。
对比例3与实施例3相比，采用普通相变储能微胶囊（购于福建天利高新材料有限公司）代替相变储能材料，力学性能显著下降。
与现有技术相比，普通矿渣粉可以增强水泥性能，但是，水泥为碱性环境，在水泥那样的减溶液中，矿渣粉容易碱化腐蚀，本申请首先将普通矿渣粉通过用羟甲基纤维素改性，在矿渣粉表面形成一个致密的保护膜层，其次，通过改变添加顺序和搅拌顺序，提高矿渣粉的力学性能和保温性能。在现有技术中，并未发现通过羟甲基纤维素改性矿渣粉的公开报道，同时也未发现有如本申请技术方案相同的制备工艺；
将改性矿渣加入石蜡水混合体系中，均质搅拌，表面带有大量羟基的改性矿渣在体系中迅速将石蜡包裹在内，形成微球分散在水中，经过冷冻干燥后，去除溶剂水，形成粒径极小的微球，即相变储能材料，加入水泥中能显著提高水泥材料的保温性能；
本发明以硅酸盐水泥为基体，在硅酸盐水泥中添加相变储能材料、陶瓷粉和粉煤灰，不仅降低了水泥的成本，而且得到的水泥复合材料可显著提高水泥的阻尼系数和冲击值，还提高了水泥的保温性能，还实现了矿渣等废物再利用实现绿色环保的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用矿渣制备的水泥，其特征在于，由以下原料按重量份制备而成：相变储能材料1-5份、陶瓷粉10-20份、粉煤灰15-25份、水泥20-40份、减水剂1-4份、玻璃纤维2-7份、硅藻土2-9份；
所述相变储能材料由改性矿渣粉、石蜡和水制备而成；所述相变储能材料由以下方法制备而成：
S1. 将石蜡和水按照1：（20-50）g/mL的固液比混合，均质，配置成石蜡水体系；
S2. 将改性矿渣粉加入步骤S1所述石蜡水体系中，充分搅拌后均质，静置20-30min后，冷冻干燥，去除体系中的水，过滤，得到相变储能材料；
所述改性矿渣粉为羟甲基纤维素改性的矿渣粉；所述改性矿渣粉由以下方法制备而成：将矿渣收集、用行星球磨机研磨至100目以下，得到矿渣粉，将矿渣粉加入硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液中，加热至60-80℃，充分搅拌均匀后，加入羟甲基纤维素，搅拌反应1-3h后，过滤，去离子水反复洗净，得到改性矿渣粉。
2.根据权利要求1所述一种利用矿渣制备的水泥，其特征在于，由以下原料按重量份制备而成：相变储能材料3份、陶瓷粉15份、粉煤灰20份、水泥30份、减水剂2份、玻璃纤维5份、硅藻土6份。
3.根据权利要求1所述一种利用矿渣制备的水泥，其特征在于，所述减水剂选自木质素磺酸钠盐减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高高效减水剂、聚羧酸高效减水剂中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述一种利用矿渣制备的水泥，其特征在于，所述硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液中硅烷偶联剂KH550的质量分数为1.5-2.5wt%，所述乙醇的质量分数为20-35wt%；所述行星球磨机的转速为700-1000r/min；所述矿渣粉和羟甲基纤维素的质量比为1：（1-3）。
5.根据权利要求1所述一种利用矿渣制备的水泥，其特征在于，所述均质条件为10000-12000r/min转速下均质1-3min；所述冷冻干燥条件为-10℃下冷冻10-20min，进一步降温至-20℃冷冻10-12h。
6.一种如权利要求1-5任一项权利要求所述利用矿渣制备的水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将水泥、粉煤灰、陶瓷粉加到搅拌机中，搅拌2min-3min；然后，将相变储能材料、玻璃纤维加入后再搅拌2min-4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的减水剂和硅藻土加入到搅拌机中，搅拌2min-3min，待搅拌均匀后即得到利用矿渣制备的水泥；
所述相变储能材料由改性矿渣粉、石蜡和水制备而成；
所述改性矿渣粉为羟甲基纤维素改性的矿渣粉。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌转速为300-500r/min。
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